Начало активным боевым действиям Черноморского флота в борьбе за Крым положило его участие в обороне Одессы. В начале августа 1941 года немецко-фашистским и румынским войскам удалось отрезать войска Приморской армии от основных сил Южного фронта и осадить их в Одессе. Непосредственная угроза нависла над Одесской военно-морской базой. Важность и актуальность защиты Одессы подчеркнул в своём приказе нарком ВМФ адмирал Н.Г. Кузнецов, потребовавший: «В случае окружения Одессы организовать поддержку и питание с моря. Для обороны базы, поддержки сухопутных войск по обстановке использовать корабли и авиацию основного ядра Черноморского флота» (Краснознамённый Черноморский флот. 2-е изд., испр. и доп. М.: Воениздат, 1979. С. 139).
Ставка ВГК 5 августа своей директивой потребовала: «Одессу не сдавать и оборонять до последней возможности, привлекая к делу Черноморский флот» (Ванеев Г.И. Черноморцы в Великой Отечественной войне. М.: Воениздат, 1978. С. 238).
По характеру боевых действий оборона Одессы делилась на три основных этапа: первый – с 5 по 19 августа – подготовка к обороне и бои на дальних подступах к городу; второй – с 20 августа по 30 сентября – бои на ближних подступах к городу; третий – с 1 по 16 октября – подготовка и проведение эвакуации войск Одесского оборонительного района.
Черноморский флот принимал необходимые меры для отражения ударов морских и воздушных сил противника. Корабли флота с 24 июня начали ставить в районе Одессы минные заграждения. Позднее эти заграждения были усилены на флангах оборонительного района и на подходах к нему. Оборона с моря осуществлялась 42-м и 44-м отдельными артиллерийскими дивизионами береговой обороны, имевшими 54 орудия калибром от 45 до 203 мм.
Для прикрытия Одессы с воздуха флот выделил авиагруппу в составе 40 истребителей и штурмовиков (командир капитан Ф.И. Демченко), которая оперативно подчинялась командиру 69-го истребительного полка ВВС Приморской армии майору Л.Л. Шестакову.
В первой половине августа для артиллерийской поддержки войск, защищавших Одессу, командованием флота был создан специальный отряд кораблей Северо-Западного района (командир контр-адмирал Д.Д. Вдовиченко). В отряд вошли крейсер «Коминтерн», эсминцы «Шаумян» и «Незаможник», 4 канонерские лодки, 6 тральщиков, 2 минных заградителя, 2-я бригада торпедных катеров, отряд сторожевых катеров.
Черноморский флот выделял людские резервы для пополнения рядов Приморской армии. Были сформированы два полка и несколько отрядов морской пехоты. Всего на сухопутном фронте под Одессой было до 8 тысяч моряков (Кузнецов Н.Г. Курсом к Победе. М.: Воениздат, 1975. С. 104).
Боевые действия шли с большим напряжением. Охватив город, противник наносил удары по войскам Приморской армии, стремясь как можно быстрее овладеть Одессой. Защитники города, поддерживаемые ударами авиации и огнём кораблей Черноморского флота упорно обороняли каждую пядь родной земли. В результате контрудара, нанесённого по левофланговой группировке врага, командование противника было вынуждено отдать приказ о переходе в конце сентября к обороне на всём фронте. Защитники города были полны решимости продолжить борьбу за Одессу.
Подводя краткий итог действиям Черноморского флота при обороне Одессы, следует отметить, что флот прилагал огромные усилия для оказания помощи войскам, оборонявшим Одессу. С 20 августа по 15 октября морская авиация совершила 5400 самолёто-вылетов, береговая артиллерия израсходовала 11 тысяч снарядов, корабли 165 раз выходили в море для обстрела позиций противника. Транспортные суда совершили около 700 рейсов в Одессу в конвоях и 200 – без охранения. На них было доставлено 64 тысячи военнослужащих и 18,2 тысячи тонн различных грузов.
Однако общая обстановка на огромном советско-германском фронте продолжала ухудшаться. На южном его крыле противник занял Киев, вторгся в Донбасс и рвался в Крым. Ему удалось прорвать Перекопские позиции и овладеть Турецким валом. Опасность нависла над Крымским полуостровом. Дальнейшее удержание Одесской военно-морской базы становилось всё менее целесообразным. В случае захвата противником Крымского полуострова захват Одессы был также неминуем. Поэтому Ставка ВГК 30 сентября приняла решение в кратчайший срок эвакуировать войска Одесского оборонительного района в Крым для усиления находившихся там войск. В Одессу прибыл заместитель наркома ВМФ вице-адмирал Г.И. Левченко с директивой об эвакуации войск. Черноморский флот провёл специальную операцию по выполнению этого решения. Следует отметить особенность эвакуации Одессы. Она проводилась не под нажимом сил противника, а была организована на основе всесторонней и глубокой оценки обстановки, сложившейся на южном фланге советско-германского фронта.
Суда с войсками и грузами начали отправляться из Одессы 1 октября и закончили 16 октября. В эвакуации принимали участие 37 транспортов и 10 боевых кораблей, включая крейсера эскадры, которые совершили в общей сложности 129 рейсов. Из Одессы было эвакуировано около 121 тысячи военнослужащих, 51 тысяча тонн воинских грузов, более 300 тысяч человек гражданского населения, 310 тысяч тонн народнохозяйственных грузов. Перевозки прикрывали с моря 23 боевых корабля и истребительная авиация флота.
В ходе боёв за Одессу Ставка ВГК создала новую оперативную форму организации и обеспечения защиты военно-морской базы – оборонительный район, в котором объединялись разнородные силы и боевые средства различных наркоматов под единым командованием, что обеспечивало централизованное использование сил и боевых средств для удержания важного оперативно-стратегического пункта. В дальнейшем в Крыму создавались Севастопольский и Керченский оборонительные районы.
Успех обороны Одессы и эвакуации её гарнизона был достигнут благодаря тесному взаимодействию сухопутных войск с разнородными силами Черноморского флота. Береговая артиллерия выполняла задачи только по обстрелу сухопутных сил противника. За время обороны пять стационарных береговых батарей провели почти тысячу стрельб, израсходовав больше 10 тысяч снарядов. В огневой поддержке сухопутных войск приняли участие 22 боевых корабля, совершив более 180 выходов для артиллерийской поддержки. Авиация флота с аэродромов Крыма наносила бомбардировочные удары, истребители Черноморской группы, базировавшиеся на Одессу, отражали налёты воздушного противника.
Переброска войск Приморской армии и Одесской военно-морской базы морем в Крым являлась оперативно-стратегическим манёвром силами и средствами на приморском направлении. Эвакуация из Одессы такого количества людей, техники (военной и гражданской), вооружения, различного имущества явилась единственным примером за все годы Великой Отечественной войны.
После эвакуации Одессы все усилия Черноморского флота сосредоточились на защите Крымского полуострова и его главной базы – Севастополя.
В начале сентября 1941 года обстановка в Крыму резко изменилась. Противник прорвал оборону войск Южного фронта и основными силами устремился к Перекопу и Чонгару. Оценивая возможности сухопутных войск в борьбе за полуостров, командование Черноморского флота начало усиливать войска 51-й армии. В августе – сентябре в северной части полуострова было установлено семь стационарных береговых и две подвижных артиллерийских батареи, сведённые в артиллерийский дивизион под командованием капитана В.Ф. Моздалевского. В ту же армию были переданы прибывший из Николаева зенитный артиллерийский полк и имевшийся бронепоезд, укомплектованный моряками. Из состава военно-воздушных сил была выделена авиационная группа.
Моряки оказывали активную помощь войскам 51-й армии в сдерживании превосходящих сил противника. Мощный огонь с первых дней боёв вела подвижная батарея № 725. Береговые батареи № 126 и 124 вели огонь по наступающему противнику до выхода из строя орудий. Корабли флота и Азовской военной флотилии 17 сентября вели огонь по вражеским танкам, прорвавшимся на Арабатскую стрелку. Крейсер «Ворошилов» обстреливал позиции противника в районе Скадовск, Алексеевка. В конце сентября развернулись ожесточённые бои на Перекопско-Ишуньских позициях. В этих боях отличились моряки 1-го и 4-го батальонов 7-й бригады морской пехоты (впоследствии эти батальоны стали 1-м и 2-м Перекопскими полками).
Начав 18 октября прорыв Перекопско-Ишуньских позиций, противник к исходу 22 октября прорвал их и вышел на степные просторы Крыма. 28 октября 11-я немецкая армия начала наступление по всему фронту. К 4 ноября её войска овладели всем побережьем от Ялты до мыса Чауда.
В связи с тем что противник занял большинство крымских аэродромов и создалась опасность массированных воздушных ударов по главной базе и находившимся в ней кораблям, по приказанию командующего флотом в ночь на 1 ноября часть кораблей эскадры, включая линейный корабль «Парижская коммуна», крейсер «Молотов» и лидер «Ташкент», вышли из Севастополя в порты Кавказского побережья. В последующие дни были перебазированы и другие корабли, эвакуированы в кавказские порты и некоторые службы флота, в районе Туапсе развёрнут запасной командный пункт флота.
Артиллерийская поддержка войск севастопольского гарнизона была возложена на специальный отряд кораблей в составе крейсеров «Красный Кавказ» и «Червона Украина», эсминцев «Шаумян», «Железняков», «Незаможник». Командовал отрядом корабельной поддержки начальник штаба эскадры капитан 1-го ранга В.А. Андреев.
Поскольку основные аэродромы Крыма были захвачены противником, авиация Черноморского флота перебазировалась на аэродромы Северного Кавказа и кавказского побережья. В главной базе стала дислоцироваться специально созданная Севастопольская авиагруппа, на которую возлагалось прикрытие базы с воздуха и авиационная поддержка действий войск гарнизона. На 1 ноября в авиагруппе было 82 самолёта, из которых 41 истребитель и 10 штурмовиков. Командовал группой командир 8-го истребительного авиаполка полковник К.И. Юмашев.
Около 16 часов 30 октября корректировочный пост 54-й береговой батареи доложил о движении войск противника. В 16 часов 5 минут расположенная в районе деревни Николаевка четырёхорудийная 102-мм 54-я батарея береговой обороны Черноморского флота, которой командовал лейтенант И.И. Заика, открыла огонь по мотопехоте и танкам немецкой бригады Циглера, прорвавшимся из района Саки. Началась героическая оборона Севастополя, в которую моряки Черноморского флота вписали свою славную страницу.